物理化学教学中运用相关工业实例的探讨

刘振新 ， 邢　宇 ， 蒋　玲 ， 邵　晨

(郑州轻工业学院 材料与化学工程学院 ， 河南 郑州　450002)



物理化学教学中运用相关工业实例的探讨

刘振新 ， 邢宇 ， 蒋玲 ， 邵晨

(郑州轻工业学院 材料与化学工程学院 ， 河南 郑州450002)

摘要：为了使非常抽象的物理化学课堂具有吸引力，在教学中应探索新颖的教学方法。本文主要论述了运用相关工业实例的教学模式，探讨了这种教学模式对物理化学教学的重要推动作用。将课堂教学与工业实例的运用结合起来，培养学生的学习主动性和学习兴趣，保证教学效果和教学质量。

关键词：物理化学 ； 工业实例 ； 探讨

物理化学这门课使用了很多数学推导和物理概念的引申，虽然涉及到化学现象，但是侧重于理论方面，是四大化学中最为艰深难懂的一门课。物理化学课程具有公式多、概念多，理论性强、系统性强、逻辑性强的特点[1，2]。因此，许多学生反应课程学习较难，产生畏惧情绪，尤为突出的是不知道如何在现实中使用物理化学课上学到的知识。如何克服学生的畏难情绪、激发学生的学习兴趣、培养学生的自学能力、提升物理化学课程的教学质量，就成为物理化学教师面临并需要迫切解决的问题[3，4]。本文讲述了在物理化学课堂教学中引入相关工业实例的探索与体会。

1在化学热力学和化学平衡教学中的运用

热力学(thermodynamics)主要是从能量转化的观点来研究物质的热性质，它揭示了能量从一种形式转换为另一种形式时遵从的宏观规律，总结了物质的宏观现象而得到的热学理论。化学平衡是指在宏观条件一定的可逆反应中，化学反应正逆反应速率相等，反应物和生成物各组分浓度不再改变的状态。根据勒夏特列原理，如一个已达平衡的系统被改变，该系统会随之改变来抗衡该改变。举例来说，热力学涉及到化学平衡及相关计算，我们在课堂教学中可以举出诸如煤化工当中水汽变换反应(water-gas shift reaction)的实例，让学生通过查表计算吉布斯函数变并判断该反应能否自发进行，让学生通过查表计算得出该反应属于放热反应(exothermic reaction)，通过观察反应方程式探明方程式两边反应物物质的量与产物物质的量之间的多寡对比，然后对于温度的升或降、压力的升或降、空速的升或降来判断化学平衡的移动方向。

更进一步地，举出诸如费托合成(Fischer-Tropsch synthesis)的实例，使学生知晓该反应主要是一氧化碳的加氢，使用铁基催化剂的时候也会有水汽变换反应的发生，让学生通过查表计算得出一氧化碳的加氢反应亦属于放热反应(exothermic reaction)，通过观察一氧化碳加氢的反应方程式得出方程式两边反应物物质的量与产物物质的量之间的多寡对比，然后对于温度的升或降、压力的升或降、空速的升或降来判断费托合成过程中一氧化碳加氢、水汽变换这两个反应的化学平衡的移动方向以及产物分布的变化趋势。在讲解当中，适当穿插介绍一些以石油加工为基础的石油化工、以天然气加工为基础的天然气化工、以页岩气加工为基础的页岩气化工，以及以煤炭间接液化和直接液化为基础的煤化工，事实证明是非常受学生欢迎的。由于四大化学均术业有专攻，内容上各自成其体系，细处较多而综览较少，许多学生学了很多知识却不知道有什么用，容易产生沮丧的情绪。因此，在物理化学这种最为抽象难懂的课堂上，穿插介绍工业概览，引入工业实例并加以分析，不但可以活跃课堂，还能够使学生们产生学习探索的兴趣、激发分析理解的欲望。

2在化学动力学教学中的运用

化学动力学(chemical kinetics)是研究化学反应过程的速率和反应机理的物理化学分支学科，它的研究对象是物质性质随时间变化的非平衡的动态体系。举例来说，化学动力学涉及到表观活化能(apparent activation energy)，我们在课堂教学中可以举出诸如费托合成的实例，依托文献中的空速基础数据，让学生计算出一氧化碳的物质的量流量；依托文献中的一氧化碳转化率基础数据，让学生计算出一氧化碳的每秒转化数量。然后，依托阿累尼乌斯方程式，让学生在方程式两端取自然对数，并整理成线性方程式，以一氧化碳每秒转化数量的自然对数值为Y轴，以温度的倒数为X轴，做出线性图形，求出斜率后算出表观活化能，并与文献值相对照。

更进一步地，举出费托合成的实例，让学生依据催化剂重量、活性金属含量、活性金属平均晶粒尺寸等文献中的基础数据，以及查表得出单个活性金属原子半径的相关数据，计算出每个活性金属原子上每秒转化的一氧化碳分子个数(即转换频率)，该数据即可用来表示催化剂的活性高低以及反应速率的快慢。

3在电化学部分教学中的运用

电化学是研究电和化学反应相互关系的科学，是物理化学的重要组成部分。在实践中电化学往往专门指“电池的科学”。举例来说，电化学涉及到浓差电池(concentration cell)，我们在课堂教学中可以举出诸如磷酸铁锂电池的工业实例，先让学生们写出充电过程中正极发生的变化和负极发生的变化，再让学生们写出放电过程中正极发生的变化和负极发生的变化；让学生画出电子的传导过程和锂离子的传导过程；同时讲述原本基本上属于绝缘体的磷酸铁锂材料如何通过碳包覆这一简单过程，获得了较好的电子传导性和较短的离子/电子传导路径；并让学生根据磷酸铁锂的分子式计算出该正极材料的理论最大比容量(170 mAh/g)。

4在胶体学教学中的运用

物理化学的胶体学部分是研究胶体、大分子溶液及乳状液等类分散体系和与界面现象相关联的体系的性质及规律的一个学科分支。举例来说，胶体学涉及到凝胶(gel)学，我们在课堂教学中可以举出诸如明胶—凝胶法制备泡沫陶瓷的例子，让学生了解如何利用明胶的升温则溶解、降温则凝胶的特性以及真空干燥技术来制备泡沫陶瓷材料。更进一步地，让学生举一反三，设计几种凝胶体系，并推测所形成材料的特性。

5结语

综上所述，为了克服学生的畏难情绪、激发学生的学习兴趣，本文探索了在物理化学课堂教学中对相关工业实例的引入。在抽象难懂的物理化学课堂上，穿插介绍工业概览，引入工业实例并加以分析，不但可以活跃课堂，还可以使学生产生学习探索的兴趣、激发分析理解的欲望。这种教学模式的主要根源是以学生为主体。在这个教学过程中，学生的各方面素质得到了提高，能够主动思考，为学生提供充分发展的空间，为社会培养能适应时代发展需要的人才。老师循循善诱，在课堂教学中合理运用这种教学模并不断创新实践，将对改善物理化学传统教学模式的单一性，提高高校物理化学教学水平和教学质量起到积极的作用。

参考文献：

[1]彭昌军，史济斌，胡军，等.从充分发挥专业基础课程作用的视角论物理化学课程的教学内容[J].化工高等教育，2012(1):12-14.

[2]宋利，李雷.浅分析物理化学中的“热力学”[J].广州化工，2012(12)：187-188.

[3]那立艳，张树彪，华瑞年，等.精心设问活化物理化学课堂教学[J].化学世界，2009 (11)：703-705.

[4]刘振新，邢宇.物理化学教学模式新探索[J].广东化工，2014，41(21)：270.

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作者简介：刘振新(1974-)，女，讲师，在读博士，从事材料与化学研究与教学工作，电话：18538093652。

收稿日期：2015-03-22

中图分类号：G642.41

文献标识码：B

文章编号：1003-3467(2015)06-0062-02